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Dans l’œil astronomique de James Webb

Lancé en Décembre 2021, le télescope américain James Webb commence à nous envoyer des images de l’univers et des galaxies alentour. Prenant les photographies dans les infrarouges, il offre une vision nouvelle et fascinante de l’univers tout en améliorant notre compréhension de celui-ci.

Qui n’est pas fasciné par l’espace et ses mystères ? Qui ne s’est pas, un jour, demandé ce qui se trouve là-haut, loin du regard de l’Homme ? Dans cette série photographique, réalisée par le télescope américain James Webb, la Nasa s’est concentrée sur les galaxies spirales. Comme pour la voie lactée – notre galaxie -, les étoiles jeunes se regroupent dans les bras de la galaxie tandis que les étoiles plus vieilles se rejoignent au centre. 

Les images dévoilées font partie du programme PHANGS (Physics at High Angular résolution in Nearby GalaxieS). « Les nouvelles images de Webb sont extraordinaires »,  déclare Janice Lee, scientifique chargée des initiatives stratégiques au Space Telescope Science Institute de Baltimore. « Elles sont époustouflantes, même pour les chercheurs qui étudient ces mêmes galaxies depuis des décennies. Les bulles et les filaments sont résolus jusqu’aux plus petites échelles jamais observées, et racontent une histoire sur le cycle de formation des étoiles ».

L’excitation s’est rapidement répandue au sein de l’équipe à mesure que les images de Webb affluaient. « J’ai l’impression que notre équipe est constamment submergée – de manière positive – par la quantité de détails de ces images», a ajouté Thomas Williams, chercheur postdoctoral à l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni. De son côté, Christine Pulliam, nouvelle directrice au Space Telescope Science Institute de Baltimore, dans le Maryland, est très enthousiaste. « Sa sensibilité à la lumière infrarouge nous permet de scruter l’univers lointain comme jamais auparavant », explique-t-elle dans une interview réalisée par échange de mail.

Vues par Webb de la galaxie spirale NGC 1672 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS

Du centre aux bras

Les galaxies se développent de l’intérieur vers l’extérieur. Il faut comprendre par là que les premières étoiles se forment près du centre. En s’éloignant du centre de la galaxie en spirale, en direction des extrémités des bras de celle-ci, les étoiles sont généralement plus jeunes – exception faite des zones bleutées, où se regroupent des étoiles plus âgées que leurs voisines. Le télescope James Webb, au même titre que son prédécesseur Hubble, étudie le fonctionnement de ces galaxies.  

La caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb a capturé – et continue ce travail de collecte – des millions d’étoiles dans ces images, qui scintillent dans les tons bleus. Certaines étoiles sont disséminées dans les bras spiraux, d’autres sont regroupées en amas d’étoiles. « Hubble continue de nous donner des vues détaillées et sans précédent de l’univers visible », détaille Christine Pulliam. « Cependant, il est fondamentalement limité par l’expansion de l’univers : plus nous regardons loin, plus les objets s’éloignent rapidement de nous. La lumière provenant de ces objets éloignés est décalée vers le rouge, un peu comme le son d’une sirène diminue au passage d’une ambulance. À une certaine distance, la lumière visible que nous utilisons pour étudier les galaxies et d’autres phénomènes est tellement décalée vers le rouge qu’elle entre dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique, au-delà de la capacité de Hubble à la détecter. Webb nous permet de continuer à étudier ces objets lointains avec la résolution et les détails de Hubble ».

Grâce aux données et photographies envoyées par le télescope spatial, les scientifiques ont fait quelques progrès dans leur compréhension des galaxies.  « L’étude dans l’infrarouge des galaxies proches nous donne de nouvelles informations sur la structure et l’évolution de ces galaxies. Même à l’intérieur de notre propre galaxie, l’observation aux longueurs d’onde infrarouges nous permet de voir à travers d’épaisses poussières qui obscurcissent normalement la lumière visible. Webb nous permet de voir des étoiles en cours de formation au cœur de nuages denses de gaz et de poussière, qui seraient autrement masquées dans les longueurs d’onde visibles ». Une aubaine selon la directrice au Space Telescope Science Institute de Baltimore.

Il faut aussi considérer les noyaux des galaxies, et s’attarder sur la présence de pointes de diffraction roses et rouges. « C’est un signe clair de la présence d’un trou noir supermassif actif », explique Eva Schinnerer, scientifique à l’Institut Max Planck d’astronomie de Heidelberg, en Allemagne. « Ou alors, les amas d’étoiles vers le centre sont si brillants qu’ils ont saturé cette zone de l’image », continue-t-elle.

Vues par Hubble de la galaxie spirale NGC 1087 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS
Vues par Hubble et James Webb de la galaxie spirale NGC 1087 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS
Vues par James Webb de la galaxie spirale NGC 1087 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS
Vues par Hubble de la galaxie spirale NGC 4303 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS
Vues par Hubble et Webb de la galaxie spirale NGC 4303 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS
Vues par Webb de la galaxie spirale NGC 4303 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS
Vues par Hubble de la galaxie spirale NGC 2835 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS
Vues par Hubble et Webb de la galaxie spirale NGC 2835 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS
Vues par Webb de la galaxie spirale NGC 2835 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS

Vers l’infini et l’au-delà

« Les étoiles peuvent vivre pendant des milliards d’années », déclare Adam Leroy, professeur d’astronomie à l’université d’État de l’Ohio, à Columbus. La durée de vie d’une étoile dépend de sa taille et des quantités de combustibles qu’elle renferme. Elles consomment d’abord l’hydrogène en leur sein, comme source de combustion. Une fois cette source d’énergie épuisée, l’étoile s’attaque à l’hélium qu’elle contient. Elles s’effondrent alors sur elle-même et meurent, entraînant au passage l’apparition de supernova ou de trous noirs. 

Avec les données du télescope américain James Webb, les scientifiques peuvent commencer à explorer de nombreuses pistes de recherche, notamment grâce aux données de PHANGS. Le nombre « sans précédent » d’étoiles résolues par le télescope est un excellent point de départ. Pour Adam Leroy, cataloguer précisément le plus d’étoiles possible – il peut sembler vain d’espérer les cataloguer toutes, tant elles sont nombreuses – pourrait permettre d’obtenir une vision et une compréhension plus fiable de leur cycle de vie. Christine Pulliam distingue deux champs de recherche : l’espace proche et l’espace lointain.

« L’existence de galaxies formées 400 millions d’années après le Big Bang a été démontrée. De nombreuses galaxies plus brillantes ont été découvertes, dans les rouges, formées environ 600 millions d’années après le Big Bang et au-delà ».  Des découvertes qui exercent une pression sur les modèles de formation des galaxies, sans remettre « en cause le Big Bang ». Les recherches sur les hypothétiques étoiles de population III – extrêmement massives et lumineuses, constituées exclusivement d’éléments légers, et qui seraient les premières étoiles à ce former après le Big Bang – sont ainsi en bonne voie. Toujours selon Christine Pulliam, les découvertes de James Webb apportent « de nouvelles informations sur l’histoire et l’évolution de la formation des étoiles dans les galaxies ».

En dehors de la diffusion de ses images, l’équipe de PHANGS a aussi publié un catalogue qui recense environ 100 000 amas d’étoiles. Il s’agit du plus grand à ce jour. « La quantité d’analyses qui peut être effectuée avec ces images dépasse largement ce que notre équipe pourrait gérer », a souligné Rosolowsky. « Nous sommes ravis de soutenir la communauté afin que tous les chercheurs puissent apporter leur contribution ». 

Et Christine Pulliam de préciser que « l’un des objectifs de notre travail est d’inspirer le public ». Elle considère la photographie comme un élément important de ce processus. « Comme le dit le proverbe, “une image vaut mille mots” et nous espérons que les vues époustouflantes du cosmos que nous avons vues jusqu’à présent avec Webb inspirent la prochaine génération de scientifiques et d’ingénieurs à chercher des réponses aux grandes questions sur notre place dans l’univers ».

Vues par Hubble de la galaxie spirale NGC 628 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS
Vues par James Webb de la galaxie spirale NGC 628 © NASA, ESA, CSA, STScI, Janice Lee (STScI), Thomas Williams (Oxford), et l’équipe PHANGS

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